Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Kompositschichten aus Zeolithen und Hybridpolymeren, die mittels des Sol-Gel-Prozesses aus Alkyltrialkoxysilanen hergestellt werden. Am Beispiel von dealuminiertem Zeolith Y und Solen aus Bis(triethoxysilyl)ethan wurde untersucht, wie sich die Zugänglichkeit der Zeolithporen in Kompositschichten erhalten lässt. Zur Analyse der Porenzugänglichkeit kamen Gasadsorptionsmessungen zum Einsatz. Zur weiteren Charakterisierung wurden elektronenmikroskopische Aufnahmen und ausführliche spektroskopische Untersuchungen der erhaltenen Hybridpolymer-Sole durchgeführt. Die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften erfolgte über die Messung der Wischfestigkeit. Die im Rahmen diverser Experimente erhaltenen Kompositschichten wiesen eine hohe Zeolithporenerreichbarkeit auf, sofern der Zeolithanteil mindestens 70 Volumenprozent betrug, und das jeweilige Sol einen hohen Hydrolyse- und Kondensationsgrad aufwies. Im Zusammenhang mit den genannten Studien wurden Hybridpolymere verglichen, die bei unterschiedlichen pH-Bedingungen mit verschiedenen Mengen an Wasser zur Hydrolysereaktion hergestellt wurden, oder bei denen neben Bis(triethoxysilyl)ethan Methacryloxypropyltrimethoxysilan als zweites Monomer eingesetzt wurde. Letztendlich konnten mit einfachen Mitteln Kompositschichten hergestellt werden, die auf flexible Oberflächen aufgebracht werden konnten und beim Biegen nicht vom Substrat abplatzten. Ferner waren sie wischfest und zeigten bei passender Zusammensetzung eine nahezu vollständige Zeolithporenerreichbarkeit (Zeolithanteil: ≥ 70 Vol.-%; Monomer: Bis(triethoxysilyl)ethan; Hydrolyse- und Polykondensationsreaktion: pH-Wert ≤ 2, Überschuss an Wasser). Ihr Anwendungspotential als Adsorbensschicht für die Aufnahme organischer Schadstoffe wurde beispielhaft anhand der reversiblen Adsorption von Formaldehyd demonstriert. / The presented study describes composite coatings containing zeolites and hybrid polymers synthesized from alkyltrialkoxysilanes. Dealuminated zeolite Y and sols of bis(triethoxysilyl)ethane have been chosen as representatives to study which parameters affect the zeolite pore accessibility. To determine the amount of open pores, we conducted gas sorption experiments. Additionally, electron microscopy and intensive spectroscopic studies were used for further characterization. Wipe resistance has been measured to determine the mechanical properties. We studied hybrid polymers which were synthesized via sol-gel routes at different pH values, under addition of various amounts of water for the hydrolysis reaction or in the presence of methacryloxypropyltrimethoxysilane as a second monomer, besides bis(triethoxysilyl)ethane as main monomer component. Finally, the composite coatings offered high zeolite pore accessibility if the zeolite content was at least 70 vol.% and if the particular hybrid sol offered a high degree of hydrolysis and polycondensation as well as a low content of organic components. Composite coatings have been prepared by a simple manufacturing process and could be applied on flexible polymer films without cracking if the substrate was bent. In addition, the coatings were smudge-proof and offered nearly complete zeolite pore accessibility based on proper selection of the composition (zeolite content: ≥ 70 vol.%; monomer: bis(triethoxysilyl)ethane; hydrolysis and polycondensation reaction: pH value ≤ 2, excess amount of water). By observation of reversible formaldehyde adsorption, composite coatings' potential use as adsorptive agent for volatile organic compounds was successfully demonstrated.

Stickoxide (NOx) und Distickstoffoxid (N2O) entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Gegenwart von Luft und gehören auf Grund ihrer toxischen bzw. klimaschädigenden Wirkung zu den Luftschadstoffen. In der Arbeit wird die simultane Reduktion von NOx und N2O an nickelbeladenen Zeolithen vom Typ H-ZSM-5 mit Propen als Reduktionsmittel untersucht. Die experimentellen Arbeiten wurden unter realitätsnahen Bedingungen mit einem Katalysatorbett durchgeführt. Der Einfluss des Nickelgehalts und der Acidität des zeolithischen Trägermaterials auf Umsatz und Selektivität der Reduktion werden diskutiert. Ausgehend von den gewonnenen Ergebnissen wird ein wahrscheinlicher Reduktionsmechanismus vorgeschlagen. / Nitric and nitrous oxides (NOx, N2O) are part of toxic and climate damaging airborne pollutants and will be produced by combustion of fossil fuels in present of air. In this work the simultaneous reduction of NOx and N2O with propene has been investigated using nickel impregnated zeolites of type H-ZSM-5 as catalytic active material. The experiments have been done using one catalyst bed and a synthetic gas mixture according to real existing environment conditions. The influence of nickel content as well as acidity of the support material on conversion and selectivity have been discussed. Using the experimental results a possible reaction mechanism has been submitted.

Stickoxide (NOx) und Distickstoffoxid (N2O) entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe in Gegenwart von Luft und gehören auf Grund ihrer toxischen bzw. klimaschädigenden Wirkung zu den Luftschadstoffen. In der Arbeit wird die simultane Reduktion von NOx und N2O an nickelbeladenen Zeolithen vom Typ H-ZSM-5 mit Propen als Reduktionsmittel untersucht. Die experimentellen Arbeiten wurden unter realitätsnahen Bedingungen mit einem Katalysatorbett durchgeführt. Der Einfluss des Nickelgehalts und der Acidität des zeolithischen Trägermaterials auf Umsatz und Selektivität der Reduktion werden diskutiert. Ausgehend von den gewonnenen Ergebnissen wird ein wahrscheinlicher Reduktionsmechanismus vorgeschlagen. / Nitric and nitrous oxides (NOx, N2O) are part of toxic and climate damaging airborne pollutants and will be produced by combustion of fossil fuels in present of air. In this work the simultaneous reduction of NOx and N2O with propene has been investigated using nickel impregnated zeolites of type H-ZSM-5 as catalytic active material. The experiments have been done using one catalyst bed and a synthetic gas mixture according to real existing environment conditions. The influence of nickel content as well as acidity of the support material on conversion and selectivity have been discussed. Using the experimental results a possible reaction mechanism has been submitted.

Für die hochselektive technische Trennung von Stoffen hält die Natur eine optimale Lösung namens Zeolithe bereit. In dieser Arbeit wurden Zeolith 4A in Form von Partikeln und wenig permeables Polymer in einer Membran kombiniert. Die Partikel lagen dabei in einer Monolage vor und wurden lediglich seitlich vom Polymer eingefasst, sodass sie beide Oberflächen der Polymerschicht durchbrachen. Diese Einbettung zu so genannten Zeolithkompositmembranen erlaubt einen Stofftransport ausschließlich durch die hochselektiven Zeolithpartikel. Die Herstellung und Charakterisierung der Zeolithkompositmembranen stehen im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Für die Membranherstellung kam das Prinzip der partikelassistierten Benetzung einer Wasseroberfläche zum Einsatz. Hierfür wurden die Zeolithpartikel beschichtet und anschließend das unverändert zugängliche Porensystem mittels Thermogravimetrie in Wasseradsorptions-Desorptionsmessungen nachgewiesen. Aus beschichteten Partikeln und passendem Monomer konnten schichtdickenoptimierte Zeolithkompositmembranen hergestellt werden. Es wurde eine Permeabilität P für Wasserdampf von 49 barrer festgestellt, während die Gase Stickstoff und Sauerstoff keinen Transportnachweis zuließen (P < 0,03 barrer). Daraus ergeben sich Selektivitäten von über 1600. Die Durchlässigkeit für Wasser beweist ein offenes Porensystem, die Impermeabilität für Stickstoff und Sauerstoff deutet auf eine sehr geringe Defektdichte hin, was beste Voraussetzungen für Trennmembranen darstellt. Das Herstellungsprinzip soll als Vorlage für die Präparation maßgeschneiderter Kompositmembranen mit wählbarer Porengröße dienen. Vergleiche zu konventionellen Zeolithmembranen belegen, dass die partikelassistierte Benetzung die Methode der Wahl ist, partikelförmiges hochselektives Material optimal einzubetten, ohne die begehrten Permeationseigenschaften zu beeinträchtigen. / An optimal material for highly selective separation processes can be found in zeolites. We prepared composite membranes composed of zeolite 4A particles and a polymer of low permeability. The particles formed a dense monolayer which were embedded into the polymer sheet in such a way that each particle prenetrates both the top and the bottom surface of the sheet. Only this embedding offffers a transport through the highly selective particles exclusively. This work focusses on these so called zeolite composite membranes, on their preparation and characterization. The preparation of the membranes was done via particle assisted wetting on a water surface. Therefore the zeolite particles were coated by a suitable silane agent and a blocking of the pore openings by the coating process was disproved by water adsorption-desorption measurements via TGA. Using the coated particles and a suitable monomer composite membranes could be formed and the optimum thickness was found. The membranes were permeable for water vapor (permeability P = 49 barrer), but impermeable for nitrogen and oxygene (P < 0,03 barrer (detection limit)). This results in a selectivity of above 1600. The permeability for water indicates that the molecules are transported through the zeolite channels. The impermeability for nitrogene and oxygene indicates a very low amount of defects. Furthermore the composite nature of the membrane reduces brittleness thus rendering it a promising candidate for separation technology with tailoring the pore size.

Hydrothermal synthesis of ZSM-5 is an often applied but incompletely understood procedure. In comparison to current research efforts that aim to produce complex micro-mesoporous catalysts for the conversion of biogenic and bulky hydrocarbons, this work focuses on the dependency between Si/Al ratio and zeolite morphology of microporous ZSM-5 to understand and to control the synthesis process. In two series of time dependent crystallization, kinetics were analyzed at Si/Al ratio 20 and 100 to optimize the crystallization time. Subsequently, zeolites with different Si/Al ratio were obtained and characterized. The results show a transition from a slow dissolutionrecrystallization process to a fast solid-state-transformation with increasing Si/Al ratio. This is followed by a switching morphology from clusters of small agglomerates to bigger spherical particles. Respective acid site density and zeolite morphology determine local residence time, hydride transfer behavior and finally selectivity towards aromatics and higher hydrocarbons during methanol conversion. This background should provide control of even more complex syntheses of porous catalysts.

This thesis presents the recent progress of diffusion measurements in nanoporous host systems by micro-imaging. Interference microscopy is applied as a powerful tool to record transient, intracrystalline concentration profiles of different sorbate species in the porous framework of two different zeolites, viz. ZSM-5 (MFI) and ZSM-58 (DDR). These profiles, yielding high temporal and spatial resolutions of about 10 s and 0.45 μm, follow the change of the refractive index of the host-guest system during uptake and release of certain guest molecules. With the thus accessible changes of concentration and particle fluxes, mass transport parameters, such as intracrystalline diffusivity and surface permeability, can be obtained by the use of the very fundamental equations on diffusion. Additionally, in two examples of never before performed types of experiments, further insights into challenging fields of host-guest interactions are provided: The well known phase transition in MFI type zeolites covering high benzene loadings is investigated in a single crystal study, allowing to follow the change of the sorbate phase in great detail. Furthermore, in DDR zeolites, a new way of data analysis facilitates to study the uptake and release of binary mixtures. Here, from the two-dimension profiles obtained by interference microscopy, the local concentrations of the sorbate species could be retrieved by using the so-called ideal adsorbed solution theory.

Zugl.: Bayreuth, Universiẗat, Diss., 2009.

Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.

University, Diss., 2004--Freiburg (Breisgau).

In dieser Arbeit werden die Ergebnisse mehrerer verschiedener Synthesemöglichkeiten für eine Optimierung der katalytischen Leistung durch Hierarchisierung zweier Molekularsiebe vorgestellt. Dabei wurde der ZSM-5 als Vertreter der Alumosilikate und der SAPO-34 (Silizium Aluminium-phosphat) ausgewählt, da diese als entsprechende MTH-Katalysatoren bereits wirtschaftliche Bedeutung erlangt haben. Die verschiedenen Möglichkeiten, ein solches hierarchisches Netzwerk zu generieren, werden dabei in Bezug auf die katalytische Leistung der jeweiligen Katalysatoren evaluiert und bewertet.